激光多普勒测速[仅供参考]
激光多普勒测速仪介绍(LDV)
激光多普勒测速仪1 激光多普勒测速仪概念激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry)，是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。
由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风速仪（Laser Doppler Anemometer，LDA)，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV)的。
示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。
因此它实际上测的是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。
幸运的是，大多数的自然微粒（空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。
如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性和LDV测量的要求。
图1 德国elovis激光多普勒测速仪2 激光多普勒测速仪组成（1）激光器（2）入射光学单元（3）频移系统（4）接受光学单元（5）数据处理器3 激光多普勒测速仪基本原理仪器发射一定频率的超声波，由于多普勒效应的存在，当被测物体移动时（不管是靠近你还是远离你）反射回来波的频率发生变化，回收的频率是(声速±物体移动速度)/波长，由于和波长都可以事先测出来（声速会随温度变化有所变化，不过可以依靠数学修正），只要将回收的频率经过频率-电压转换后，与原始数据进行比较和计算后，就可以推断出被测物体的运动速度。
图2 激光多普勒测速仪基本原理图4 激光多普勒测速仪特点和应用1）激光多普勒测量仪应用多普勒频差效应的原理，结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；2）激光多普勒测量仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。
3）激光多普勒测量仪既可以对几十米甚至上百米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量；既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术激光多普勒测速，简称LDV or LDA ，通常是用来进行流体速度的测量，所以也简称LD 。
多普勒频移由于观察者和被观察者之间有相对运动，使观察者接收到的光波频率发生变化的现象，称Doppler 频移。
例如，一个光源相对于观察者以速度v 运动，速度v与光源到观察者联线（即光传播方向）之间的夹角是θ，而光源发出频率为0ν的光波，在观察者看来，由于存在着相对运动，观察者接收到的光频率为：21/2102(1)/(1cos )v v ccννθ=--0(1cos )v cνθ+其中，c 是光在介质中的传播速度，0/c c n =.在检测中，我们通常用一个位置固定的光源照射一个运动的粒子，用一个位置固定的探测器来接收运动粒子散射的光波来探测粒子的运动速度。
如图所示，粒子以速度v 运动，速度v与粒子和光源联线的夹角是1θ，光源频率为0ν，则在粒子看来所接收的频率是 21/21012(1)/(1cos )v vc cννθ=-- 探测器与粒子联线和粒子速度v21/22122(1)/(1cos )v v ccννθ=--考虑到粒子速度比光速小得多，则可以求得散射光的多普勒频移的表达式为：2012(1(cos cos ))v cννθθ++频率检测多普勒频移通常用来测量粒子的速度，只要测得频移量20D ννν=-，即可求得物体的运动速度。
但是，由于光的频率太高，迄今尚无直接测量光频率的可能，故而通常采用光混频技术，用混频后的差频信号来获取多普勒频移量。
设一束待测的散射光的频率为'ν，而另一束参考光的频率为ν，光探测器分别接收到它们的电场（振幅）强度为：QQS1011cos(2')E E t πνϕ=+ 2022cos(2)E E t πνϕ=+将两束光在探测器表面处混频后，得到的合成电场强度为：12011022cos(2')cos(2)E E E E t E t πνϕπνϕ=+=+++光强度为22122011022222201102201021222220110220102120102()(cos(2')cos(2))cos (2')cos (2))2cos(2')cos(2)cos (2')cos (2))cos(2('))co I E E E E t E t E t E t E E t t E t E t E E t E E πνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπννϕϕ==+=+++=++++++=++++++++12s(2('))t πννϕϕ-+-实际测得的是光强度的时间平均值222010*********cos(2('))22I E E E E E t πννϕϕ<>=<>=++-+-在光探测器上输出的电流值是22010********()()cos(2('))2i t k E E kE E t πννϕϕ=++-+-其中，k 是电流转换系数，是一个确定的比例常数。
激光多普勒测速仪介绍(LDV)讲解
激光多普勒测速仪
1 激光多普勒测速仪概念
激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry，是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种
仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。
由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风
速仪（Laser Doppler Anemometer，LDA，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV的。
示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。
因此它实际上测的是微粒的运动速
度，同流体的速度并不完全一样。
幸运的是，大多数的自然微粒（空
气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。
如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性
和LDV测量的要求。
激光多普勒测速
激光多普勒测速1.引言激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事，航空，航天，机械，能源，冶金，水利，钢铁，计量，医学，环保等领域[1-2]。
激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器，通常由五个部分组成：激光器，入射光学单元，接收或收集光学单元，多普勒信号处理器和数据处理系统或数据处理器，主要优点在于非接触测量，线性特性，较高的空间分辨率和快速动态响应，采用近代光-电子学和微处理机技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维，三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息。
由于上述潜在的独特功能，激光多普勒技术吸引了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题，使激光测速技术得到飞速发展，成为流动测量实验的有力工具。
激光测速技术的发展大体上可分为三个阶段[1-3]。
第一个阶段是1964 – 1972 年，这是激光测速发展的初期。
在此期间，大多数的光学装置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便；第二个阶段是1973 – 1980 年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面有了很大的发展。
光束扩展，空间滤波，偏振分离，频率分离，光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中。
从1980年到现在，激光测速进入了第三个阶段。
在此期间，应用研究得到快速发展。
在发表的论文中，有关流动研究的论文急剧增加。
多维系统，光纤传输技术以及数字信号处理和微机数据处理技术等的出现把激光多普勒技术推向更高水平，使用调整更加方便。
此外，半导体激光器的应用是其小型化成为可能，推动激光多普勒测速走出实验室，迈向工业和现场应用。
激光的多普勒效应是激光多普勒测速技术的重要理论基础，当光源和运动物体发生相对运动时，从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度，入射光和速度方向的夹角都有关系[1]。
激光多普勒测速
2
其中， I 0 E02
当相位差为 的偶数倍时，即（ 2m m=0, 1, 2, …） 时，I 4I0 ，P点光强达到最大值。
当相位差为 的奇数倍时，即（ (2m 1) m=0, 1, 2, …） 时，I 0 ，P点光强达到最小值。
当相位介于这两者之间变化时，P点光强在0和4I0之间变化。
这种在迭加区域出现的光强稳定的强弱分布的现象称为光的 干涉。在观察时间内，P点平均光强为：
I 1
Id
2 E01 E02
1
cosd
0
如果在观察时间内，各个时刻到达的两束光波迅速而无规
则地变化，多次经理0~2之间的一切值，则，
1
0
cosd
对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能 使用小尺寸探头 。
热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流 结构的主要实验工具，但它仅限于低温、 低速、低紊流度、常特性的检测，而且必 须在回流区以外。
光学速度测试技术具有测量灵敏 度高，不干扰流场等优点，有着 很强的应用前景。
光学测速技术主要有全息干涉法、 散斑照相法、激光多普勒测速法 和激光双焦点测速法等。
c U e0 c2 (U e0 )2
f0
1U e0 / c 1 (U e0 )2
c
f p f0 (1
e0 ) * c
• 式中，e 为入射光方向的单位向 0
量，c为介质中的光速。
• 光检测器接收的粒子散射光频率：
fS
f
p
(1
es
c
)
*
(5-2)
因此，两迭加光波相位差固定不变是产生干涉的必要条件。
激光多普勒测速仪介绍(LDV)
激光多普勒测速仪1 激光多普勒测速仪概念激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry)，是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。
由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风速仪（Laser Doppler Anemometer，LDA)，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV)的。
示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。
因此它实际上测的是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。
幸运的是，大多数的自然微粒（空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。
如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性和LDV测量的要求。
图1 德国elovis激光多普勒测速仪2 激光多普勒测速仪组成（1）激光器（2）入射光学单元（3）频移系统（4）接受光学单元（5）数据处理器3 激光多普勒测速仪基本原理仪器发射一定频率的超声波，由于多普勒效应的存在，当被测物体移动时（不管是靠近你还是远离你）反射回来波的频率发生变化，回收的频率是(声速±物体移动速度)/波长，由于和波长都可以事先测出来（声速会随温度变化有所变化，不过可以依靠数学修正），只要将回收的频率经过频率-电压转换后，与原始数据进行比较和计算后，就可以推断出被测物体的运动速度。
图2 激光多普勒测速仪基本原理图4 激光多普勒测速仪特点和应用1）激光多普勒测量仪应用多普勒频差效应的原理，结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；2）激光多普勒测量仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。
3）激光多普勒测量仪既可以对几十米甚至上百米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量；既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
Dantec 激光多普勒测速仪(LDA)原理说明书
The probe and the probe volume.激光多普勒测速仪（LDA ）原理简介激光多普勒测速仪是Dantec 公司最先采用多普勒原理，对一维到三维流动速度和粒子浓度进行同步、无接触实时测量的世界顶尖测量仪器。
它可以对以超音速、几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的特性进行测量。
原理由布拉格单元输出的两束强度相同的光，其中一束被加了一个频移。
这两束光通过聚焦进入光纤，然后被传输到探头。
这些光经过一个聚焦透镜在探测体内相交于一点。
在探测体内，由于光的干涉现象，光的强度被调整而产生干涉条纹。
干涉条纹的距离是由激光的波长和两光束的角度决定的：()2/sin 2θλτ=d当流体流过探测体时，流动速度信息来自于流体中所带的微小“播种”粒子的散射光。
散射光中包含了一个多普勒频移，它与和这两个光束等分线垂直的速度分量成比例，X 轴的分量如图所示。
光电探测器把光强度的波动转化成电信号，即多普勒脉冲。
多普勒脉冲在信号处理器中被过滤和放大，然后经过频率分析（诸如快速傅立叶变换）确定多普勒频率。
干涉条纹的距离提供了粒子运动距离的信息；多普勒频率提供了时间信息；由于速度等于距离除以时间，即距离乘以频率，从而可以获得粒子的速度信息。
值得说明的是，Dantec 公司的LDA 系统可以很容易得升级成用于两相流动测量的相位多普勒测量系统（PDA ）Doppler frequency to velocity transfer function fora frequency shifted LDA systemAir vortex measured by FlowExplorer流体速度和湍流测量——FlowExplorer激光多普勒测速仪精确的流体速度测量FlowExplorer是一个高集成度高精度的激光多普勒（LDA）流体测量系统，可用于流体和湍流的研究。
FlowExplorer系统可以测量单一速度分量或者同时测量两个方向的速度分量。
激光多普勒测速实验教程
激光多普勒测速实验教程
一、实验概述
激光多普勒测速实验是一种常用的测速方法，通过测量目标物体表面反射回来的激光光束频率变化，从而得出目标物体的速度。
本实验将介绍激光多普勒测速的原理、实验装置搭建、实验步骤及注意事项。
二、实验原理
激光多普勒效应是指当激光束照射到运动的物体表面时，反射回来的光束频率会因为物体运动而发生变化。
根据多普勒效应公式，可以得出：
$$f_r = f_0 \\cdot \\left(1 + \\frac{v}{c} \\cdot \\cos\\theta\\right)$$
其中，f r为接收到的激光频率，f0为激光发射频率，v为物体运动速度，c为光速，$\\theta$为激光与物体运动方向的夹角。
三、实验装置
该实验所需装置包括： - 激光发射器 - 激光接收器 - 反射镜 - 运动平台 - 计算机
四、实验步骤
1.将激光发射器和激光接收器固定在实验台上，使其间距一定。
2.在运动平台上放置反射镜，调整反射镜位置，使激光光束正好反射回
激光接收器。
3.启动激光发射器，发射激光光束照射到运动平台上的反射镜。
4.记录激光接收器接收到的频率数据，并测量反射镜在运动平台上的速
度。
5.利用多普勒效应公式计算出反射镜的运动速度，与实际测得的速度进
行对比。
五、注意事项
1.实验中需注意激光光束安全，避免直接照射眼睛。
2.反射镜位置调整需准确，确保激光正好反射回激光接收器。
3.实验过程中要小心操作，避免损坏实验装置。
通过本实验，可以深入了解激光多普勒测速的原理与应用，提高实验操作能力和理论水平。
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激光在工程中的应用
激光得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制 造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密 测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于 测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测 角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激 光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激 光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显
通过双曝光将两幅粒子场记录在同一 块胶片或干版上，
再利用逐点分析或全场分析求出粒子 对的位移场，最后转换成速度场。
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当流速很快时，可用连续片光照 明，用高速摄影机拍摄一系列粒 子图。
再通过相关运算求出位移场，进 而求出各粒子场的速度。
散斑法只能记录一个平面内的粒 子场速度信息。
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光学速度测试技术具有测量灵敏 度高，不干扰流场等优点，有着 很强的应用前景。
光学测速技术主要有全息干涉法、 散斑照相法、激光多普勒测速法 和激光双焦点测速法等。
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2. 全息干涉测速法
在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用 双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄 相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。 利用再现粒子场的实像图，求出粒子 对间的位移大小和方向，再由 v=s/t求出速度场。
§8.2 激光多普勒测速法(LDV)
60年第一台氦-氖激光器诞生，64年 世界上就出现了激光多普勒测速仪。 20多年来，激光多普勒测速技术有了 很大的发展，这是测量技术上的一个 重大突破。
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多普勒测速是通过检测流体中运动微粒 散射光的多普勒频移来测定速度的。
激光多普勒测速属于非接触测量，激光 作为测量探头不干扰流场。
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但激光多普勒测速也有其局限性， 例如:
1> 需要示踪粒子; 2> 示踪粒子要与流体一起运动; 3> 对介质和实验通道有光学要求，
要求光能透过流动等。
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5-9-1 激光多普勒测速的原理
1.激光多普勒效应
激光多普勒测速的基本原理：
是依据激光多普勒效应，利用运动粒 子散射光的频移来测量速度. 因为散射光的频移中包含有粒子速度 的信息。
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声学中的多普勒现象
当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时， 你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高；
相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛 声变得低沉，即笛声频率变低。
这种因波源和观察者相对于传播介质的 运动而使观察者接收到的波源频率发生 变化的现象叫多普勒效应。
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如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设 波源相对于 介质的运动速度为u，波源的波长为，观察者相对介质的运 动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速 度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。
（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0）， 观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f= f0
（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动
(u=0，v 0)，观察者接收到的频率为 观察者背离波源取负号。
f
V v
(1
v V
)
f
0
（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（
和静止光检测器S三者之间相对
观察者接收到的频率f为：
V
f
V
u
f0
波源背着观察者运动时取负号。
，u v=00），
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（4）波源和观察者同时相对于介质运动（ 观察u 者 0接收v 到0 的频率f为：
f
V v V u
f0
电磁波也存在多普勒效应，
， ），
对静止光源来说，运动着的观察者接收到的光波频率为
v
1
示、医疗、受控热核反应等方面。
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4
激光在热物理测量方面应用
如激光测燃烧雾化颗粒大小和分布 （PDA），
用于传热传质研究，测量燃烧动力及流 场温度，对高能点火中能量释放，研究 点火机理，加力燃烧室流场和温度场， 等离子射流的浓度场、温度场和速度场 等等（LIF）。
激光测速仪（LDV）
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激光多普勒测速应用很广: 可用于燃烧 混合物、火焰、旋转机械、窄通道、化 学反应流动、风洞或循环水洞中流动速 度的测量等。
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激光多普勒测速有其突出的优点： 1>如不需要流动校正； 2>不取决于温度、密度和流体成份，仅
对速度敏感; 3>取出量与速度成线性关系； 4>动态响应快，等等。
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2
5-9 激光多普勒流速仪测速
1．概述-激光特性与应用
激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比 太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比 氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性） 而著称。因为普通光源向4立体角发散， 而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立 体角单位面积的输出功率就特别大。
如对回流区的测量，机械探头会扰动 回流图形；对于小尺寸管道中的流动， 机械探头会造成堵塞。
像燃烧火焰)，常常不能 使用小尺寸探头 。
热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流 结构的主要实验工具，但它仅限于低温、 低速、低紊流度、常特性的检测，而且必 须在回流区以外。
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若流速不快，也可使用功率较大的连 续激光，通过双曝光记录粒子图。
粒子稀少，可用显微镜搜索粒子对， 并确定粒子对间的位移；
粒子很多，可用干版插入再现粒子实 像场中欲测剖面，记录粒子对，通过 逐点扫描或全场分析求出位移场。
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3. 散斑测速法
对于具有较多粒子的流场，可用频闪 片光照明粒子场的某一剖面，
常见的测量速度方法与技术
总压探针与静压探针相结合的皮托 管一直是平均速度的主要测量方法。
热线和热薄膜风速仪是测量流体瞬 时速度、平均速度、均方根速度和 速度相关量的主要方法。
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无疑，机械探头将继续是实验流体力 学的重要方法。
但接触测量法干扰流场，不可避免地 带有方法本身的误差，具有局限性。
f
c 1 v2
f0
c2
观察者背离波源取负号。
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当一单色频率为f0的激光, 照射到运 动速度为v的微粒上时，运动微粒接 收到的频率不等于f0，发生了一次多 普勒效应。
若用一个静止的光检测器，接收运动 微粒的散射光，则接收到的频率又经 过了一次多普勒效应。
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• 下图为静止光源O、运动微粒P